Integrating soil compaction effects into process-based water erosion modelling : Addressing the role of tramlines for sediment and water transport in agricultural landscapes
Bodenerosion durch Wasser ist weltweit eine der größten Ursachen für die Degradation von ackerbaulich genutzten Böden. Trotz der großen Anzahl an wissenschaftlichen Artikeln, die die Bedeutung von stark verdichteten Fahrspuren für die Bodenerosion, wurden diese bislang in keiner modell-basierten Bodenerosionsabschätzung berücksichtigt. Die Ziele dieser Dissertation umfassen daher (i) die Entwicklung eines Ansatzes, um Fahrspuren in ein prozess-basiertes Bodenerosionsmodell zu integrieren, (ii) die Effekte von Fahrspuren auf Bodenerosions- und Abflussprozesse innerhalb eines Wassereinzugsgebietes zu quantifizieren und (iii) die Wirkung von Schutzmaßnahmen auf das Bodenerosionsrisiko in Fahrspuren zu bewerten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit, wurde dafür das prozess-basierte Bodenerosionsmodell Erosion 3D auf Basis eines erosiven Starkregenereignisses angewendet und Fahrspureigenschaften für verschiedene räumliche Rasterauflösungen (0.5x0.5, 1x1 and 5x5 m) in das Modell integriert. Die Ergebisse wurden die Modellergebnisse mit kartierten Bodenerosionsdaten verglichen und auf Grundlage gemessener Abflussdaten kalibriert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Berücksichtigung von Fahrspuren auf Feld- und Einzugsgebietsebene die räumliche Vorhersagegenauigkeit für die Rasterauflösung von 1x1 m stark verbessert. Fahrspuren haben einen signifikanten Anteil am Gesamtbodenverlust sowie am Abfluss- und Sedimenteintrag in Oberflächengewässer. Die erhöhte Lagerungsdichte hat den größten Einfluss auf den Bodenabtrag innerhalb der Fahrspur und reduzierte Bodenbearbeitung und eine Erhöhung der Kontureffizienz von Fahrspuren kann das Bodenerosionsrisiko signifikant reduzieren. Die vorliegende Arbeit zeigt somit dass Fahrspuren eine Schlüsselrolle im Abfluss- und Abtragsgeschehen einnehmen können.
Soil erosion by water is one of the main soil degradation processes worldwide, which deteriorates the functionality of soil systems. Despite a large number of scientific articles that emphasise the importance of compacted tramlines as predefined flow pathways for soil erosion, no study exists that involves compacted tramline structures into model-based soil erosion assessments. Therefore, this thesis aims (i) to develop an approach to integrate the effect of compacted tramlines into a process-based soil erosion model, (ii) to quantify the effect of tramlines on soil erosion processes at the watershed scale and (iii) to evaluate the impact of mitigation measures on soil erosion n tramlines. In this thesis, the process-based soil erosion model Erosion 3D was applied on the basis of an erosive rainfall event at the field and watershed scale, including tramline properties at different spatial resolutions (0.5x0.5, 1x1 and 5x5 m). The model results were compared with measured soil loss data. Finally, the impact of different tillage systems and contour farming on modelled soil erosion within tramlines was statistically assessed. The results reveal that integrating tramlines on a 1x1 m resolution improves the spatial prediction accuracy in Erosion 3D at field and watershed level. Tramlines contribute significantly to the total soil loss and sediment entrance into the watercourse network. Bulk density along the tramlines is the driving parameter increasing runoff and soil erosion rates. Additionnaly, modelling results indicate that reduced tillage and high contouring efficiencies can significantly reduce soil erosion in tramlines. The results show that tramlines are likely to play a key role for soil erosion risk as well as for water and sediment connectivity within a watershed. This reveals that tramlines are yet underestimated features in current soil erosion risk assessments.
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